2.2. Парообразующие поверхности нагрева

П роцесс генерации пара в котлах с естественной циркуляцией осуществляется в отдельных контурах циркуляции. На рисунке 2.2 изображена схема замкнутого контура, состоящего из двух систем труб – обогреваемых (экранных, парообразующих) 2 и не обогреваемых 5, вверху объединённых барабаном 1, а внизу коллектором 6. Замкнутая система образует циркуляционный контур, который заполняется водой до уровня ниже диаметральной плоскости барабана 1 на 15–20 см.

Объём барабана, заполненный водой, называют водяным объёмом, верхнюю часть, занятую паром – паровым объёмом.

Поверхность, разделяющую паровой и водяной объёмы, называют зеркалом испарения.

При создании в топочной камере зоны высоких температур газов, в обогреваемых газами трубах вода закипает. Далее при подведении тепла к экранным трубам они заполняются пароводяной смесью, имеющей плотность , которая ниже плотности воды.

Не обогреваемые трубы 5 заполнены водой, имеющей плотность воды при давлении в барабане.

Вертикальная плоскость, проходящая вдоль оси нижнего коллектора, условно разделяет гидравлическую систему на две части. С левой стороны от коллектора система подвержена давлению столба воды, заполняющей опускную, не обогреваемую трубу, равному . С правой стороны система подвержена давлению столба пароводяной смеси, заполняющей обогреваемые трубы, равному .

Разность давлений называется движущим напором естественной циркуляции:

,

где – движущий напор естественной циркуляции, Па; – высота контура, м; и – плотности воды и пароводяной смеси, кг/м³, – ускорение свободного падения, м/с².

Обогреваемые трубы получили название подъёмных труб, не обогреваемые трубы – опускных труб.

В подъёмных трубах происходит в основном испарение воды. Поток пароводяной смеси обеспечивает охлаждение металла подъёмных труб, обогреваемых продуктами сгорания, и гарантирует их длительную и надёжную работу.

Такие котлы получили название паровых котлов с естественной циркуляцией. Величина движущего напора прямо пропорциональна высоте контура и разности плотностей воды и пароводяной смеси, являющейся функцией интенсивности теплообмена в топке.

Отношение массового расхода циркулирующей воды кг/с, к количеству образовавшегося пара в единицу времени , кг/с, называется кратностью циркуляции:

.

Кратность циркуляции обычно составляет величину от 4 до 30. Расход воды в контуре циркуляции в раз больше паровой производительности котла.

Область перехода от воды к состоянию пара называют зоной фазового перехода [5].

В барабанных котлах высокого давления (10 и более МПа) доля теплоты, затрачиваемой на парообразование, составляет порядка 40 %. Парообразующие поверхности находятся в зоне наиболее высоких температур газов и требуют тщательного конструктивного выполнения для обеспечения надёжности работы контуров циркуляции.

Котел имеет гладкотрубные экранные поверхности. Трубы в экранных поверхностях расположены с зазором - 4-6 мм. Гладкотрубные экраны применяют в паровых котлах, работающих под разряжением.

Экранные поверхности разделены на секции. Экранные трубы каждой секции объединены нижним коллектором. Трубы секций боковых экранов вверху также имеют верхние коллекторы, из которых в барабан идут несколько отводящих труб большего диаметра. Парообразующие трубы фронтового и заднего экранов непосредственно вводятся в разделительный барабан 2.

Крепление экранных секций делается вверху: верхний коллектор опирается на горизонтальные балки верхнего перекрытия каркаса котла. Тепловое расширение экранной секции предусмотрено вниз. Нижние коллекторы имеют свободу вертикальных перемещений в пределах расчетного расширения экрана (60-100 мм).

Одним из эффективных методов снижения концентрации примесей в кипящей воде и в паре является ступенчатое испарение. За счет частичного упаривания в котловой воде происходит накапливание минеральных веществ. Накапливающиеся в водяном объёме растворённые и взвешенные вещества удаляются из нижних коллекторов и из барабана при периодической и непрерывной продувках.

Непрерывная продувка части котловой воды осуществляется из барабана в количестве 0,5-1,5 % расхода пара.

Периодическую продувку проводят из нижних коллекторов с целью удаления накапливающегося там шлама.